Бизнес

Яндекс.Метрика

Фундаментальные исследования

КУМУЛЯЦИЯ ЭНЕРГИИ

Кумулятивные явления в импульсных процессах сыграли существенную роль в развитии физики и техники. Уже во время Второй мировой войны широкое распространение получили кумулятивные бронебойные снаряды. Ярким применением кумулятивных процессов является сжатие веществ при схождении к центру симметрии сферических или цилиндрических ударных волн и оболочек. Реализация таких процессов с помощью взрывчатых веществ позволила сжать в несколько раз даже такие плотные вещества, как уран. Это и было использовано при разработке большинства ядерных зарядов. С самого начала становления института кумулятивные процессы и способы их реализации стали важнейшим направлением исследований. Разнообразные типы кумуляции энергии были глубоко изучены академиком Е.И. Забабахиным, который привлек к этой проблеме большую группу теоретиков и экспериментаторов. Е.И. Забабахиным были рассмотрены почти все случаи кумуляции энергии при фокусировке сферических и цилиндрических оболочек и ударных волн, дан анализ явления вязкости, теплопроводности и сжимаемости на характер кумуляции. Были рассмотрены сходящиеся волны в веществах с фазовыми переходами и ударные электромагнитные волны, решены задачи о кумуляции энергии при несимметричной фокусировке и в несходящейся ударной волне. Был открыт новый класс автомодельных кумулятивных течений в слоистых периодических системах с чередующимися слоями из легких и тяжелых веществ (слойки Забабахина). В таких системах степень возрастания энергии на фронте ударной волны выше, чем в однородном веществе.

Сегодня в РФЯЦ – ВНИИТФ особое внимание уделяется экспериментальному определению условий достижения уровня кумуляции энергии, достаточного для протекания термоядерных реакций в системах, не содержащих тяжелых реактивных материалов. Работы ведутся в двух направлениях – в качестве исходного источника энергии в первом направлении используется высококалорийное взрывчатое вещество, во втором – лазерное излучение. Важнейшее значение для развития исследований по инерциальному термоядерному синтезу имели работы по изучению адиабатического кумулятивного сжатия. Были построены важные точные решения для одномерного, двумерного и трехмерного случаев, при наличии магнитных полей, гравитации и вращения. Эти результаты находят широкое применение при решении астрофизических проблем, при развитии численных методов и создании программ, использующихся для математического моделирования реальных явлений.

При изучении газодинамических кумулятивных процессов с целью создания условий для термоядерного воспламенения теоретические работы осуществлялись параллельно с экспериментальными. Таким путем было изучено влияние несимметрии на процессы кумуляции и воспламенения.

Явление кумуляции энергии широко применяется при изучении свойств и поведения материалов при экстремально высоких динамических нагрузках. В специально разработанных устройствах удается сохранять, а затем исследовать образцы материалов, побывавших в условиях экстремально высоких давлений и температур, что открывает новые возможности не только в исследовании свойств вещества, но и в получении новых материалов с уникальным комплексом физико-механических и теплофизических свойств. Получены новые фазы веществ и новые структуры. Свойства их изучаются.

Специальные кумулятивные системы были созданы для получения высокоскоростных (до 35 км/c) струй плотного вещества (с плотностью до 1 г/см3). Они были использованы для изучения высокоскоростных соударений и плотной плазмы.

Явление кумуляции энергии при схождении профилированных оболочек было положено в основу зарядов, предназначенных для перфорации стенок нефтяных и газовых скважин с целью повышения их эффективности. Это направление оказалось одним из наиболее успешных конверсионных направлений.

ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР

Использование процессов, сопровождающих ядерные взрывы, а также ряда технологий, созданных для разработки и испытаний ядерных зарядов, открыло широкие возможности для исследований свойств веществ и процессов при высоких плотностях энергии, т.е. в области высоких давлений и температур. Такие условия практически недостижимы в лабораторных экспериментах. Изучение поведения веществ в экстремальных условиях было вызвано необходимостью понимания как физики ядерного взрыва, так и астрофизики и других фундаментальных областей физики.

Работы в этой области проводились по двум направлениям:

  1. Создание и развитие теоретических моделей вещества и процессов при высоких плотностях энергии, получение данных с помощью таких моделей;
  2. Разработка экспериментальных методов и создание установок для проведения экспериментов и накопления соответствующих данных.

Принципиально, что и теоретическая, и экспериментальная информация всегда имели четкий адрес применения. На их основе создавались уравнения состояния (УРС), либо строились модели неравновесных физических процессов, имеющих прикладное или фундаментальное значение. Накопленные данные использовались также как базис для дальнейшего развития теоретических моделей веществ и процессов.

Уже в первые годы своего существования институт подготовил и в 1957 году успешно провел натурный эксперимент по изучению оптической прозрачности веществ при высоких температурах, который и открыл направление применения процессов ядерного взрыва для фундаментальных исследований.

В институте большое внимание уделялось изучению полиморфных превращений веществ и прочностных свойств горных пород и конструкционных материалов в динамических процессах. Изучалось также влияние кинетических механизмов и масштабных эффектов на характеристики неравновесных процессов.

Особенно благоприятные условия для таких исследований открылись в связи с переходом к подземным ядерным взрывам. Локализация процессов при подземных экспериментах позволяла создавать хорошо контролируемые условия для выполнения конкретных экспериментальных программ, давала возможность обеспечить прецизионные измерения. Программы фундаментальных исследований стали осуществляться с первых подземных взрывов и регулярно проводились вплоть до последних натурных опытов.

За это время были разработаны принципиально новые методы исследований динамических процессов, учитывающие специфику крупномасштабных взрывов, а также адаптированы к новым условиям некоторые методы, ранее применяемые в лабораторных экспериментах.

В ряде случаев уникальные условия ядерного взрыва позволили разработать уникальные экспериментальные методики. Так, наличие мощного нейтронного потока и сильной ударной волны позволило разработать метод импульсного гамма-репера, который был успешно применен для получения абсолютных данных по ударной сжимаемости алюминия в области 10–30 Мбар. Для таких целей не мог быть применен ни один мыслимый искусственно репер. Синхронизация ударно-волнового и нейтронных процессов, имеющих принципиально разную природу, стала возможной благодаря глубокому пониманию природы явления и надежному математическому моделированию его развития в сложной экспериментальной установке.

Широкая программа исследований была выполнена для изучения кинетики фазовых превращений горных пород и некоторых материалов (в первую очередь кварца). Эти данные и в настоящее время служат основой для развития теоретических моделей. Особую ценность имеют прецизионные данные об ударной сжимаемости воды, минералов, горных пород, металлов при мультимегабарных давлениях. Эти данные являются опорными при построении современных УРС веществ.

Уникальными являются исследования в области гигабарных давлений. Эта программа изначально имела фундаментальную направленность. Было замечено, что наиболее часто используемые для описания области высоких давлений и плотностей теоретические модели вещества не учитывают влияния оболочечной электронной структуры атомов на свойства веществ. Они базировались в основном на упрощенной квазиклассической модели Томаса–Ферми. В новых, более сложных квантово-механических моделях появилась необходимость использования различных упрощающих предположений, что в результате приводило к расхождениям, которые были сопоставимы с величиной ожидаемого эффекта. Для получения надежной экспериментальной информации был поставлен эксперимент, позволивший достоверно выявить влияние оболочечной электронной структуры для алюминия и свинца, которое выразилось в осциллирующем ходе ударной адиабаты по сравнению с данными модели Томаса–Ферми. Эти результаты приведены на рис. 5.1. Они дали дополнительный импульс развития теоретических моделей вещества. Особенно это оказалось ценным для прецизионного описания оптических свойств плотной плазмы. После прекращения ядерных испытаний этот рекорд уже никому не удастся превзойти.

Экспериментальные и теоретические результаты по свойствам веществ и процессов в области высоких плотностей и давлений лежат в основе созданных в институте баз данных, которые используются для моделирования высокоинтенсивных процессов. Существенная часть их опубликована и широко используется многими исследователями при разработке новых моделей описания свойств веществ и процессов. В совокупности они служат успешному продвижению исследований по новым направлениям, таким, как инерциальный термоядерный синтез, кумулятивные явления и имплозивные процессы, высокоскоростные столкновения, астрофизические явления.

ФИЗИКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

  • Лабораторный рентгеновский лазер

Исследования, направленные на изучение различных схем рентгеновского лазера (РЛ) и путей его технической реализации, проводятся во ВНИИТФ в основном в расчетно-теоретическом плане. На сегодняшний день создана совокупность программ кинетики и переноса неравновесного излучения, позволяющая численно моделировать перспективные способы накачки РЛ в широком диапазоне рабочих веществ. Сложилось понимание, что самая простая и надежная с точки зрения реализации схема РЛ – это схема со столкновительным возбуждением состояний Ne-подобных ионов, возникающих при быстром нагреве веществ со средними Z = 20...40 импульсами мощных оптических лазеров длительностью 10-12...10-9с. Расчетные характеристики рентгеновского лазерного излучения (РЛИ), которое может генерироваться на переходах этих ионов, неплохо согласуются с известными в мировой практике экспериментальными результатами. В области эксперимента интересно направление по созданию плазмы Ne-подобных ионов с Z ~ 20 в быстром капиллярном разряде на установке ВНИИТФ "СИГНАЛ". Энергетика этой электротехнической установки на порядок превосходит величину, необходимую для прокачки такого вещества, как аргон.

  • Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Лабораторные лазерные исследования позволяют получить дифференциальные характеристики поведения материалов в экстремальных условиях и изучить процессы взаимодействия излучения с веществом. При этом область исследований не обязательно должна совпадать с реализующейся в условиях ядерного взрыва, а может лежать в значительно более низком диапазоне концентраций энергии. На существующем во ВНИИТФ лазерном комплексе возможно проведение исследований в диапазоне до ~100 эВ при плотностях ~10 г/см3. Полученная в этом диапазоне информация может служить надежной базой для калибровки теоретических моделей, результаты которых применимы как к оружейным задачам, так и связанным с перспективными термоядерными технологиями будущего.

  • Генерация рентгеновского излучения с помощью Z-пинчей

Работы в этом направлении ведутся совместно с институтом сильноточной электроники (Томск), ТРИНИТИ (Троицк) и Сандийскими национальными лабораториями (США). Целью работ является создание электрофизических установок нового поколения (с током 10–100 МА) для получения мягкого рентгеновского излучения высокой интенсивности, требуемого как для исследований в области термоядерного синтеза, так и для изучения свойств веществ в области высоких давлений и температур.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ В ЗАДАЧАХ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

В математическом отделении ВНИИТФ проводятся работы по созданию алгоритмов и программ:

– построения нерегулярных вычислительных сеток, 

– локальной перестройки вычислительной сетки в процессе расчета.

Алгоритмы построения и перестройки сеток функционируют в полностью автоматическом режиме.

Использование локальной перестройки сетки позволяет поддерживать целостность и геометрическое качество вычислительной сетки в процессе моделирования сложных динамических задач с сильными деформациями.

 

 

Ссылки по теме:

А.В. Сковпень Усовершенствованный алгоритм построения нерегулярных четырехугольных сеток. (файл формата PDF размером 1,32МБ)

A.V. Skovpen Modified Algorithm For Unstructured Quadrilateral Meshing (In English, PDF-file, size 1,60 MB)

A.V. Skovpen, V.A. Bychenkov, I.I. Kuznetsova Automatic Local Remeshing of Unstructured Quadrilateral Meshes in Problems with Large Deformations (In English, PDF-file, size 327 KB)

 

  

© РФЯЦ – ВНИИТФ. Настоящий сайт поддерживается информационной службой РФЯЦ – ВНИИТФ и является официальным источником информации
о ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина».
За недостоверную информацию, представленную на других сайтах, информационная служба ответственности не несет.